中老铁路沙嫩山隧道大变形区段松动圈发展规律及控制技术

刘千里 王永顺 王建军 谭忠盛

1.中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710024；2.中国铁路国际有限公司老中铁路有限公司，老挝万象；3.北京交通大学土木与建筑工程学院，北京 100044

复杂地质环境隧道大变形一直是地下工程建设面临的难题，特别是隧道穿越埋深大、地应力高、地质构造运动强烈区域时，大变形隧道围岩变形及支护结构破坏愈发严重。采取有效大变形控制措施，对隧道安全高效施工至关重要。隧道开挖后，原岩应力迅速调整，围岩应力集中及强度劣化也会加剧，从而形成沿隧道开挖面的环状破碎带，称之为隧道松动圈［1-2］。因此，可根据隧道松动圈范围来评价隧道围岩稳定性，同时可将隧道松动圈范围作为隧道支护结构参数设计及施工工艺选择的重要依据。

国内外对于松动圈的理论研究和现场测试较多。国外主要有拉巴斯基于塑性介质学说提出的松动裂隙理论、Dube A K的破碎区理论和Shemyakin E I的不连续理论［3］。

国内，董方庭等［4］通过研究开挖后岩体状态，提出了围岩松动圈支护理论。王睿等［5］根据围岩松动圈理论，采用统一强度准则，并考虑中间主应力的影响，给出适用于软岩大变形隧道围岩松动圈的计算公式。沈才华等［6］考虑不同应力状态下围岩损伤扩容特征，提出了基于分层总和理论的松动圈位移计算方法。赵海斌等［7］探讨了声波法在松动圈测试中应用的可行性。龚建伍等［8］采用声波法与多点位移计法对隧道松动圈进行了测试分析，获得了隧道松动圈的分布情况，验证了隧道锚杆设计支护参数的合理性。徐坤等［9］采用声波法与地质雷达法对兰新铁路大梁山隧道围岩松动圈的深度进行了测试。刘永胜等［10］采用声波法和钻孔窥视法对多次爆破作用下大跨度洞室围岩累积损伤及松动圈发展规律进行了研究。夏舞阳等［11］通过采用多点位移计法和地质雷达法对炭质千枚岩隧道松动圈范围进行测试，分析不同施工条件下炭质千枚岩隧道围岩松动圈分布特征。骆建军等［12］针对碳化泥质板岩隧道变形大、钢拱架破坏严重等问题，采用多点位移计法和声波法对隧道松动圈范围进行测试。

既有成果对于分析大变形隧道松动圈发展规律、支护结构设计具有重要意义，但对复杂地质环境，特别是对受多期次构造作用的地质缝合带内大变形隧道变形特征及松动圈发展规律分析较少。本文以中老铁路缝合带内大变形隧道为工程依托，通过对隧道松动圈进行现场测试，分析围岩及支护结构变形破坏特征，提出隧道大变形控制措施。

1 工程概况

1.1 工程背景

中老铁路从中老边境磨丁出发，向南穿越老挝南塔、乌多姆塞、琅勃拉邦，到达万象，全线隧道75座。其中，由中国水利水电第三工程局承建的工程（Ⅳ标Ⅰ分部）起讫里程为DK179+520—DK225+080，全长45.56 km，此工程位于老挝琅勃拉邦省。其中隧道长43.635 km，共计13.5座，占线路全长的95.8%；桥梁1.754 km，占线路全长的3.8%；其他部分为路基和涵洞，占线路全长的0.4%。

1.2 水文地质条件

沙嫩山隧道是中老铁路控制性工程，隧道最大埋深200 m，全长2 090 m。出口690 m为双线，其余为单线。隧址区属于构造剥蚀高山地貌，发育有沙嫩山2#断层和沙拉巴土断层，地形起伏较大。该隧道处于琅勃拉邦缝合带内，穿越的地层主要为石炭系板岩夹砂岩、泥灰岩。受琅勃拉邦缝合带和区域断裂构造带双重影响，岩层扭曲、翻转，岩体松散破碎，具有层间滑脱、遇水软化等特征。地表水为山间槽谷流水、楠名河水和大气降水。地下水为第四系覆盖层孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水。

1.3 隧道支护设计参数

隧道采用新奥法施工，光面爆破。Ⅲ级围岩全断面开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩台阶法分部开挖，支护结构采用复合式衬砌。支护参数见表1。单、双线隧道净宽分别为8.34、13.73 m，净高分别为10.01、11.24 m。

表1 单双线隧道支护参数

1.4 变形情况

隧道施工过程中频频出现掌子面溜塌、初期支护坍塌破坏、拱架屈曲、边墙喷射混凝土开裂、围岩水平挤压变形等现象，变形主要位于拱顶及拱腰。受岩层产状、地下水等影响，围岩自稳能力差。

2 现场测试

2.1 隧道松动圈范围测试

2.1.1 测试方法的选择

隧道松动圈范围是地质条件、施工工艺及支护措施等因素的综合体现，其值在一定程度上反映支护结构所受围岩荷载高低，对锚杆施作深度、注浆加固范围等具有指导作用。隧道松动圈范围测试主要采用地质雷达法、多点位移计法和声波法。根据各测试方法的特点（表2），现场采用声波法对沙嫩山隧道不同里程段松动圈范围进行测试。

表2 隧道松动圈范围测试方法对比

2.1.2 测试步骤

①确定测试断面位置与测孔方位；②将测杆送入钻孔，检测钻孔深度、角度是否符合要求；③将测试探头缓慢推至钻孔底部，并向孔内注水，同时用橡胶气囊封堵测孔口；④每次将测试探头向外拔出0.5 m，待探测波的波速稳定后记录数据；⑤重复步骤④，获得全钻孔波速传播规律；⑥可重复步骤①—⑤，确保获得的测孔波速数据可靠。

2.1.3 测试结果分析

岩体波速沿孔深变化曲线见图1。可知，线路两侧测试的岩体波速均从孔口向孔底不断增大，表明岩体完整性在逐步提高。单线段、双线段隧道松动圈范围分别为6.0～6.5 m、8.0～9.0 m，单线段隧道松动圈达到净宽8.34 m的71.90%以上，双线段隧道松动圈达到净宽13.73 m的58.26%以上，说明隧道松动圈范围大，围岩破碎严重。

图1 岩体波速沿孔深变化曲线

2.2 围岩变形监测

在隧道单线段（DK210+024和DK210+029）、双线段（DK211+402和DK211+407），各选取2个隧道断面对围岩变形进行监测，结果见图2。

图2 隧道围岩变形和变形速率曲线

由图2可知：单、双线段隧道围岩变形均以水平收敛为主，单线段围岩最大水平收敛和拱顶沉降分别为44、27 cm；双线段围岩最大水平收敛和拱顶沉降分别为63、19 cm。上下台阶开挖过程中对隧道围岩的扰动明显，并且拱顶沉降速率的波动明显小于水平收敛速率。

综合来看，单、双线段隧道围岩变形具有初期变形速率高、变形量大以及持续时间长的特点，并且水平收敛显著，这一特征也是造成隧道拱腰、边墙支护结构率先破坏的主要原因。

3 隧道大变形控制措施

根据现场测试分析结果，从主动控制隧道变形出发，考虑注浆对围岩力学性能的改善作用，制定以下变形控制措施：

1）加强掌子面超前支护。单线段采用双层小导管，纵向间距1.2 m/环；双线段采用壁厚5 mm的ϕ60 mm热轧钢花管棚，管棚长度9 m，纵向间距6 m/环，搭接长度3 m。

2）提高初期支护刚度。双线段可采用双层纵向连接筋与初期支护拱架搭接，在上、中、下台阶拱架接头处增设4根锁脚锚管、布设临时水平横撑或三角横撑（图3）。

3）优化断面结构形式。将单线段设计的马蹄形断面更改为近圆形断面，以改善隧道侧墙支护结构受力状态。

4）施作锚杆和围岩注浆。采取径向围岩注浆，注浆压力1.0～1.5 MPa。单线段、双线段注浆范围分别不小于2.5、4.0 m；单线段、双线段锚杆施作长度分别为不小于6 m和不小于8 m。考虑隧道围岩注浆效果，锚杆施作长度取松动圈范围测试结果的下限。

图3 临时支护结构

4 实施效果

工程现场在单线段DK210+024和DK210+029，双线段DK211+402和DK211+407桩号处布置了监测断面。采取控制措施前后4个断面围岩变形平均值见表3。

表3 4个断面采取控制措施前后围岩变形平均值 mm

由表3可知：单线段、双线段4个断面围岩最大水平收敛平均值降幅分别为56.1%、54.0%，最大拱顶沉降的平均值降幅分别为53.5%、55.8%。这说明单、双线段围岩变形均得到有效控制。

5 结论

本文依托中老铁路沙嫩山隧道，基于现场测试结果分析了单双线隧道松动圈范围、围岩和支护结构变形破坏特征，提出大变形控制措施。得出结论如下：

1）初期支护变形破坏和掌子面溜塌严重，隧道变形量大、持续时间长以及初期变形速率高，围岩变形以水平收敛为主。

2）单线段、双线段隧道松动圈范围分别为6.0～6.5、8.0～9.0 m，均达到隧道设计跨度的58%以上。

3）根据隧道围岩变形破坏特征及隧道松动圈范围测试结果提出加强掌子面超前支护、提高初期支护刚度、优化断面结构形式、施作锚杆和围岩注浆等综合措施。经实施，单线段、双线段4个监测断面围岩最大水平收敛的平均值分别减小56.1%、54.0%；最大拱顶沉降的平均值分别减小53.5%、55.8%。